Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Роботы-муравьи

Роботы-муравьи – новейшая разработка в области робототехники. Роботы, работающие без управления извне и в процессе работы имитирующие поведение муравьев из колонии. Робот-муравей, в России разработанный Институтом радиотехники, практическую пользу не приносит, может перемещаться в разных направлениях и подмигивать глазами-светодиодами. Также существует разработка MIT's Artificial Intelligence Lab, которая представляет собой несколько роботов, имитирующих поведение муравьев колонии. Для связи друг с другом роботы используют датчики. Каждый из роботов оборудован 17 датчиками, четыре из которых – световые датчики, четыре – инфракрасные приемники и датчики удара, наклона и еды. Инфракрасные датчики, расположенные на передней части и вершине робота, отвечают за общение между роботами. Колония роботов-муравьев имеет несколько уровней социального поведения, есть возможность следования за вожаком, роботы умеют играть.

Роботы-шайбы

Роботы-шайбы – роботы, которые имеют внешний вид в форме хоккейной шайбы. NASA планирует собрать в околоземном пространстве многокилометровую солнечную батарею на орбите, которая впоследствии будет выполнять роль электростанции с перспективной возможностью передачи энергии на наземный приемник. Группа ученых из университета Южной Калифорнии полагает, что создание таких конструкций человеком в настоящее время труднореализуемо и гораздо эффективней было бы использовать для этого специальных роботов, которые смогут автономно работать в условиях невесомости. Задача по взаимодействию нескольких идентичных роботов решена при создании роботов-муравьев, которые могли сообща передвигать груз. В настоящее время ученые университетской лаборатории полиморфных роботов в рамках проекта Solar проводят эксперимент, правда, в двумерном варианте по использованию роботов-шайб в условиях, близких к космосу. В качестве модели используется стол для воздушного хоккея, в котором в тысячи отверстий на поверхности стола подают воздух специальными насосами. Роботы-шайбы могут скользить по столу почти без трения. Ключевая идея проекта – использование роботов в паре. Экспериментально проверено, что роботы, соединенные специальным тросом, могут захватывать из свободного пространства «плавающие» элементы (в эксперименте это были плоские стержни с механизмом стыковки на концах) и согласованно двигать их, соединяя в более крупные узлы. Каждый робот представляет собой шайбу шириной 30 см, которая имеет возможность передвигаться в пространстве при помощи четырех бортовых вентиляторов (имитатор ракетного двигателя). Управляющим элементом является внешний компьютер, который имеет видеокамеру слежения для оценки ситуации и беспроводную связь с роботами. Впоследствии вся электроника и камеры будут располагаться на самих роботах.

Система аварийного спасения

Система аварийного спасения – бортовая система ракетно-космического комплекса, которая отвечает за контроль аварийных ситуаций, оповещение и обеспечение спасения экипажа. Активно используется во время старта и на всем протяжении активного участка полета. В случае возникновения аварийной ситуации должна оповестить экипаж и обеспечить доставку экипажа космического аппарата на безопасное расстояние от комплекса на случай взрыва или пожара ракетоносителя. На практике используются разнообразные системы, которые обеспечивают спасение космонавтов. Это могут быть катапультируемые кресла (советские космические корабли серии «Восток»), система выброса отсека с кабиной экипажа или непосредственно самих космонавтов (применяется в американских космических кораблях серии «Space Shuttle»), система аварийного отделения спускаемого аппарата (советский космический корабль серии «Союз» и американский серии «Apollo»). После отдаления от ракетоносителя и прохождения участка максимального скоростного набора происходит отделение двигательной установки, и дальнейшее движение спасаемого модуля осуществляется в режиме автономного полета по траектории спуска до приземления.

Для различных участков полета существуют различные алгоритмы автоматики. Смена программ происходит при достижении определенных контрольных точек на активном участке полета. Автоматикой снабжены все системы, кроме катапультируемого кресла, которое лишается системы после отделения от ракетного комплекса. Автоматика включает в себя элементы, позволяющие управлять движением спускаемого аппарата, программные устройства, средства связи.

Солнечная батарея

Солнечная батарея – элемент, аккумулирующий энергию солнечного излучения и позволяющий в дальнейшем перевести ее в тепловую или электрическую энергию, для использования в энергетической цепочке. Отрасль, называемая гелиоэнергетикой, является одной из самых перспективных и быстроразвивающихся. О солнечных батареях коллекторного типа будет рассказано в соответствующем пункте, а здесь пойдет речь о солнечных батареях на основе фотоэлектрических преобразователей.

Фотоэлементы являются полупроводниковыми устройствами, которые позволяют прямо преобразовать солнечную энергию в электрическую. Несколько объединенных фотоэлектрических преобразователей и называются солнечной батареей. На сегодняшний день фотоэлементы считаются наиболее эффективными преобразователями солнечной энергии в электрическую, но это только с точки зрения энергетических характеристик. Такое преимущество перед остальными видами преобразователей обусловлено одноступенчатым процессом перевода энергии. Теоретический КПД фотоэлектрических преобразователей может достигать 90%. На практике же достигнут предел в 40%, хотя вполне достижимым на сегодняшний день считается предел в 50%. Процесс преобразования энергии основан на фотовольтаическом эффекте, возникающем в полупроводниковых структурах, характерным признаком которых является неоднородность, под воздействием солнечного излучения.

Эффективность преобразования будет зависеть, в первую очередь, от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также от оптических свойств фотоэлектрического преобразователя. Немаловажную роль играет фотопроводимость, которая обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках, возникающего при облучении материала солнечным светом. Потери энергии в фотоэлектрических преобразователях связаны с рядом факторов, которые будут перечислены ниже. Часть солнечного излучения неминуемо отражается от поверхностей преобразователя, кроме того, другая часть излучения будет проходить сквозь фотоэлектрический преобразователь без поглощения в нем и превращения в полезную энергию. Некоторое количество солнечной энергии теряется при рассеянии на тепловых колебаниях решетки избыточной энергии фотонов. Нельзя забывать и про наличие внутреннего сопротивления фотоэлектрического преобразователя, которое тоже «съедает» свою часть энергии. Все эти факторы, а также многие другие, которые не были упомянуты в этом списке, существенно снижают выходной КПД солнечной батареи.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в фотоэлектрических преобразователях учеными разрабатываются и впоследствии успешно применяются на практике различные мероприятия. К числу таких мероприятий можно отнести следующие манипуляции:

  1) поиск и последующее использование полупроводников с иными физическими параметрами, которые позволили бы получить оптимальные параметры для перевода энергии солнечного излучения в электрическую или тепловую энергии;

  2) улучшение свойств уже успешно применяемых полупроводниковых структур;

  3) оптимизация конструктивных параметров фотоэлектрических преобразователей;

  4) применение специальных оптических покрытий, которые смогут обеспечить лучшие в сравнении с существующими параметры просветления, терморегулирования и защиту от космической радиации;

  5) разработка и внедрение фотоэлектрических преобразователей, способных пропускать длинноволновый солнечный спектр, который находится за краем основной полосы поглощения.

Кроме перечисленных параметров, существенного повышения КПД можно достигнуть при помощи создания и повсеместного применения преобразователей с двухсторонней чувствительностью. Это позволит получить порядка 80% добавочной полезной энергии в сравнении с односторонними фотоэлектрическими преобразователями.

Возможно внедрить на практике применение многослойных пленочных светоотделителей, которые будут раскладывать солнечный спектр на две или более спектральные области. Каждый участок спектра будет последовательно преобразовываться отдельным фотоэлектрическим преобразователем.

Солнечный ракетный двигатель

Солнечный ракетный двигатель, или фотонный ракетный двигатель, – ракетный двигатель, использующий для получения тяги реактивный импульс, который создают частицы света, фотоны при воздействии на поверхность. Примером простейшего солнечного ракетного двигателя может послужить пластиковое зеркало, отражающее солнечные лучи и под воздействием частиц света толкающее аппарат в сторону от Солнца.